《第一节　化学反应速率课件》高中化学人教版选修4化学反应原理37435

本章是《化学2》第二章第三节《化学反应的速率和限度》的延伸。化学反应速率和化学平衡原理，是中学化学的重要理论之一，也是化学反应原理中的重点和难点。本章包含四部分内容。第一节讲述化学反应速率的概念及表示方法，通过实验引入定量探究的方法。通过探究分析，得出同一反应用不同的物质表示反应速率时数值之比等于化学计量数之比。第二节通过实验探究法讨论了化学反应速率的影响因素：浓度、温度、压强、催化剂等；同时简单介绍了影响速率的其他因素如光辐照、放射线辐照、超声波、电弧、强磁场、高速研磨等。凡是向反应体系中输入能量，都有可能改变化学反应速率。第三节是化学平衡，主要介绍了反应的可逆与否，化学平衡状态，以实验的方法探究化学平衡状态的移动；化学平衡常数的引入，使我们从定量的角度来探究化学平衡，化学平衡常数的应用是高考的重点之一。第四节介绍化学反应进行的方向问题，提出了熵变、焓变的概念，并说明运用复合判据进行化学反应方向的判断更适合所有的化学反应过程。【本章重点】化学反应速率；影响化学反应速率的因素；化学平衡状态；化学平衡常数；影响化学平衡移动的因素；勒夏特列原理；化学反应进行方向的判断。【本章难点】影响化学反应速率的因素；化学平衡状态的判断；化学平衡常数；化学平衡的移动及勒夏特列原理；化学反应进行方向的判断；焓与熵的含义；根据化学平衡常数进行计算。第一节化学反应速率1．了解化学反应速率的涵义。2．理解化学反应速率的表达式及其简单计算。3．了解化学反应速率的测量方法。1.表述方法：在容积不变的反应器中，通常是用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。2．数学表达式：式中υ表示反应速率，c表示各反应物或生成物的浓度，Δc表示其浓度变化(取其绝对值)，t表示时间，Δt表示时间变化。3．特别说明：(1)速率表述的共同之处：①都有一个确定的起点(速率＝0)；②都有一个与速率大小相匹配的时间单位；③都有能说明体系某种变化的可计量的性质(如质量、体积、压强、浓度等)。(2)以具体某一种物质B表示的化学反应速率为：Δc的单位一般用mol/L表示；而Δt的单位一般用s(秒)、min(分钟)、h(小时)等表示；所示υ的单位可以是mol/(L·s)或mol/(L·min)或mol/(L·h)等。(3)由于Δc是取浓度变化的绝对值，故反应速率都取正值。(4)对于一个确定的化学反应，涉及反应物和生成物多种物质，中学化学里，通常笼统地说化学反应速率的快慢时，往往对整体化学反应而言，如中和反应很快、酯化较慢；这里的反应速率，是用某一具体物质定量地表达某一反应的反应快慢。(5)同一个化学反应，在同一段时间内，用不同物质表示反应速率时，数值不同，但表达的意义却相同。(6)在一定温度下，固体和纯液体物质，单位体积里的物质的量保持不变，即物质的量浓度为常数，因此它们的化学反应速率也被视为常数。(7)由于在一定时间内的化学反应，有关物质的物质的量浓度是连续地变化的，所以化学反应速率有平均速率和即时(或瞬时)速率之分。在中学化学里，通常说的化学反应速率一般是指平均速率。在速率——时间图像中经常出现瞬时速率，如锌粒在0.1mol/L的稀盐酸中反应，一定温度下的反应速率与反应时间的关系如上图所示。图像的A点就是在反应时间t1时刻的瞬时反应速率。●案例精析【例1】下列说法正确的是()A．化学反应速率是对可逆反应而言的，非可逆反应不谈化学反应速率B．在可逆反应里，正反应的化学反应速率是正值，逆反应的化学反应速率是负值C．在同一化学反应里，其化学反应速率可以用反应物浓度的改变来表示，也可以用生成物浓度的改变来表示，其数值可能相同，也可能不相同D．化学反应速率的单位可以是g·L－1·s－1，也可以是kg·L－1·s－1，甚至可以用t·L－1·s－1等来表示[解析]

由其概念知，化学反应速率的研究对象是所有的反应，并非专指可逆反应。单位时间(Δt)是正值，反应物浓度的减少或生成物浓度的增加(Δc)是正值，则化学反应速率无负值。由可看出，反应速率不会出g·L－1·s－1等以质量变化来表示的单位。[答案]

C[点评]应熟练掌握化学反应速率的概念及表示方法并能理解其含义。下面有关化学反应速率的说法中正确的是 ()A．对任何化学反应来说，反应速率越大，反应现象就越明显B．化学反应速率通常用单位时间内任何一种反应物浓度的减少或任何一种生成物浓度的增加来表示C．若某化学反应的反应速率为0.5mol/(L·s)就是指在该时间内反应物和生成物的浓度变化都为0.5mol/(L·s)D．化学反应速率是用来衡量化学反应进行快慢的尺度[解析]

化学反应速率是用来衡量化学反应进行的快慢的。通常用单位时间内反应物浓度的减小或生成物浓度的增加来表示。并要指明是以哪一种物质为标准，因为以不同的物质来表示的反应速率也不相同，且固体物质的浓度变化无法确定。[答案]

D1.将化学反应速率的概念和化学方程式的意义联系起来，充分利用以下相等的比例关系：化学方程式中各物质前的化学计量数之比＝各物质在化学反应中变化的物质的量之比＝各物质在反应中变化的物质的量浓度之比＝用各物质表示的该化学反应在一定时间内的平均反应速率之比。2．求解化学反应速率的计算题一般步骤：(1)写出有关反应的化学方程式。(2)找出各物质的起始量、转化量、某时刻量。(3)根据已知条件列方程计算。例如：反应mA＋nBpC起始浓度(mol/L)a

b

c转化浓度(mol/L)x

某时刻浓度(mol/L)(4)计算中注意以下量关系：①对反应物：c(起始)－c(转化)＝c(某时刻)②对生成物：c(起始)＋c(转化)＝c(某时刻)3．化学反应速率的比较(1)选用同种物质作标准换算成同一物质、同一单位表示，再比较数值大小。(2)比较化学反应速率与化学计量数的比值：如反应aA＋bBcC，要比较υ(A)与υ(B)的相对大小，即比较，则A的反应速率比B大。注意：(1)起始量、转化量、某时刻量三者物理量及单位要统一，都是物质的量或物质的量浓度，否则无法计算。(2)起始量、转化量、某时刻量中，只有不同物质的转化量之比等于对应物质的化学计量数之比，不同物质的起始量或某时刻量之间没有必然的关系，不能列比例式计算。●案例精析【例2】一密闭容器内装有SO2和O2，反应开始时，SO2浓度为2mol/L，O2浓度为2mol/L，两分钟后，测得SO2浓度为1.8mol/L，则两分钟内SO2的平均反应速率是多少？O2和SO3的平均反应速率又分别是多少？通过计算，比较三者速率有何联系？[解析]

2SO2＋O22SO3起始浓度(mol/L)220变化浓度(mol/L)0.20.10.22min后浓度(mol/L)1.81.90.2υ(SO2)∶υ(O2)∶υ(SO3)＝2∶1∶2，同一反应在相同条件下可用不同物质来表示其反应速率，其比值等于化学方程式中相应的化学计量数之比。[答案]

SO2的平均反应速率为0.1mol/(L·min)，O2的平均反应速率为0.05mol/(L·min)，SO3的平均反应速率为0.1mol/(L·min)，三者速率之比等于化学反应方程式中相应的化学计量数之比。已知4NH3＋5O24NO＋6H2O(气)反应中，在某一时刻各物质的反应速率分别为υ(NH3)，υ(O2)，υ(NO)，υ(H2O)单位为(mol·L－1·min－1)，则下列关系式不正确的是 ()A．υ(NH3)＞υ(O2)，υ(NO)＜υ(H2O)B．υ(NH3)＜υ(O2)，υ(NO)＜υ(H2O)C．υ(H2O)＞υ(O2)＞υ(NH3)＝υ(NO)[解析]

在同一化学反应中，选用不同物质表示反应速率时其数值往往不同，但不同物质的反应速率之比等于该反应中各物质的系数之比，因此可根据4NH3＋5O24NO＋6H2O各物质量的关系来换算各物质的反应速率关系：综合上述推算，B、C、D中各物质反应速率间的关系正确，惟有选项A中的υ(NH3)＞υ(O2)是错误的。[答案]

A

【例4】某温度时，在2升容器中X、Y、Z三种物质的物质的量随时间的变化曲线如图所示。由图中数据分析，该反应的化学方程式为________。反应开始2分钟，Z的平均反应速率为________。[解析]

从上图可以看出X、Y的浓度减少，可以判断X、Y是反应物，Z的浓度增加，可以判断Z是生成物。X的物质的量减少1.0mol－0.7mol＝0.3mol,Y的物质的量减少1.0mol－0.9mol＝0.1mol，Z的物质的量增加0.2mol，因此以X、Y、Z表示的反应速率分别为：因为υ(X)∶υ(Y)∶υ(Z)＝3∶1∶2，且该反应为可逆反应。故该化学反应的方程式为：3X＋Y2ZZ的平均反应速率为0.05mol/(L·min)。[答案]3X＋Y2Z0.05mol/(L·min)[点评]反速率是单位时间内浓度的变化量，而不是单位时间内物质的量的变化量。化学反应方程式的系数比即为各物质的反应速率之比。求化学方程式，先找反应物和生成物，再找化学计量数之比。反应A＋3B＝2C＋2D在四种不同情况下的反应速率分别为：①υ(A)＝0.15mol·L－1·s－1②υ(B)＝0.6mol·L－1·s－1③υ(C)＝0.4mol·L－1·s－1④υ(D)＝0.45mol·L－1·s－1该反应进行的快慢顺序为 ()A．④＞③＝②＞①B．④＜③＝②＜①C．①＞②＞③＞④ D．④＞③＞②＞①[解析]

比较反应速率大小时，不仅要看反应速率数值的大小，还要结合化学方程式中物质的化学计量数的大小进行比较。(有时还要考虑速率的单位)方法一：由反应速率之比与物质的化学计量数之比，比较后作出判断。由化学方程式A＋3B＝2C＋2D得出：υ(A)∶(B)＝1∶3，而υ(A)∶υ(B)＝0.15∶0.6＝1∶4，故υ(B)＞υ(A)，从而得②＞①。υ(B)∶υ(C)＝3∶2，而υ(B)∶υ(C)＝0.6∶0.4＝3∶2，故υ(B)＝υ(C)，从而得③＝②。υ(C)∶υ(D)＝2∶2＝1∶1，而υ(C)∶υ(D)＝0.4∶0.45，故υ(D)＞υ(C)，从而得④＞③。故该反应进行的快慢顺序为④＞③＝②＞①。方法二：将不同物质表示的速率换算为用同一物质表示的速率，再比较速率数值的大小。若以物质A为标准，将其它物质表示的反应速率换算为用A物质表示的速率，则有：υ(A)∶υ(B)＝1:3，则②表示的υ(A)＝0.2mol/(L·s)；υ(A)∶υ(C)＝1:2，则③表示的υ(A)＝0.2mol/(L·s)；υ(A)∶υ(D)＝1:2，则④表示的υ(A)＝0.225mol/(L·s)；

故反应进行的快慢顺序为④＞③＝②＞①。[答案]A[点评]在同一个反应中用不同的物质来表示同一段时间内的反应速率时，其数值可以是不同的，但表示这个反应速率的含义是相同的。在容积为10L的密闭容器中，通入40molN2和120molH2，在一定条件下进行反应，2s后达到平衡状态，此时N2的浓度为2mol/L。试求：(1)用H2浓度表示的2s内的平均反应速率。(2)N2的转化率。(3)平衡时NH3的体积分数。[解析]

N2＋3H22NH3起始量/mol401200平衡量/mol206040变化量/mol206040(1)υ(N2)＝＝3mol/(L·s)

(2)N2的转化率：×100%＝50%

(3)平衡时N2的体积分数：×100%＝33.3%[答案]

(1)3mol/(L·s)(2)50%(3)33.3%(2006·四川)一定温度下，在2L的密闭容器中，X、Y、Z三种气体的物质的量随时间变化的曲线如图所示。下列描述正确的是 ()A．反应开始到10s时，用Z表示的反应速率为0.158mol/(L·s)B．反应开始到10s时，X的物质的量浓度减少了0.79mol/LC．反应开始到10s时，Y的转化率为79.0%D．反应的化学方程式为X(g)＋Y(g)Z(g)[解析]

首先根据各物质的物质的量随时间的变化曲线，明确X、Y为反应物，Z为产物，反应开始到10s时，υ(Z)＝

＝0.079mol·L－1·s－1，υ(X)＝

×0.079mol·L－1·s－1，υ(Y)

υ(Y)＝

×0.079mol·L－1·s－1。由速率之比等于各物质的计量数之比得，n(X)∶n(Y)∶n(Z)＝1:1:2，化学反应方程为X(g)＋Y(g)2Z(g)，因此A、B、D项错。[答案]

C1.化学反应速率测量的基本思路化学反应速率是通过实验测定的。因为化学反应中发生变化的是体系中的化学物质(包括反应物和生成物)，所以与其中任何一种化学物质的浓度(或质量)相关的性质在测量反应速率时都可以加以利用。2．用于化学反应速率测量的物质的性质(1)直接可观察的性质，如释放出气体的体积和体系的压强。(2)依靠科学仪器才能测量的性质，如颜色的深浅、光的吸收、光的发射、导电能力等。(3)在溶液中，当反应物或产物本身有比较明显的颜色时，常常利用颜色深浅和显色物质浓度间的正比关系来跟踪反应的过程和测量反应速率。3．测定化学反应速率的物理方法测定化学反应速率的关键是测定某一时间间隔内，反应体系中某物质浓度的变化。由于物质的某些物理性质(如压强、体积、吸光度、电导率等)与其物质的量或浓度存在的函数关系，因此人们常用物理方法准确而快速地测定反应物或生成物浓度的变化来确定化学反应速率。常用于测定化学反应速率的物理方法有以下几种。(1)量气法对于反应：2H2O22H2O＋O2↑，可测量反应中惟一的气体产物氧气在温度、压强一定时的体积变化。(2)比色法由于物质对特定波长的光的吸收性能不同，因此可以通过吸光度来测定反应物浓度。例如，在丙酮的溴化反应过程中：CH3COCH3＋Br2―→CH3COCH2Br＋HBr有色反应物Br2吸收波长为450nm的光波，因此可用分光光度计测量溶液对该波长的吸光度，据此计算化学反应速率。(3)电导法根据离子导电能力的差异，通过电导率的变化测定反应物中离子浓度的变化，从而计算化学反应速率。例如，在乙酸乙酯水解反应中：CH3COOC2H5＋OH－―→CH3COO－＋C2H5OH由于OH－的电导远大于CH3COO－的电导，可以利用电导仪测量出溶液电导的变化，据此求得OH－浓度的变化，从而求得化学反应速率。●案例精析【例5】反应速率υ和反应物浓度的关系是用实验方法测定的。化学反应H2＋Cl2＝2HCl的反应速率可表示为υ＝K[c(H2)]m·[c(Cl2)]n，式中K为常数，m、n值可用下表中数据确定之。c(H2)(mol·L－1)c(Cl2)(mol·L－1)υ(mol·L－1·s－1)1.01.01.0K2.01.02.0K2.04.04.0K由此可推得，m、n值正确的是 ()A．m＝1、n＝1 B．m＝、n＝C．m＝、n＝1 D．m＝1、n＝[解析]

这是一道利用数据信息探讨化学反应速率与浓度之间的定量关系的学科内综合题，解答本题的关键是准确理解题供数据所反映的规律，再根据相关规律求值。将题中第二组数据代入关系式中可得，2m＝2，因此m＝1；再将第三组数据代入关系式中可得，2m×4n＝4.0即4n＝2，则n＝1/2[答案]D[点评]本题是以化学反应“速率方程式”为背景的信息迁移题，意在考查同学们接受信息处理数据的能力。下表数据是在某高温下，金属镁和镍分别在氧气中进行氧化反应时，在金属表面生成氧化薄膜的实验记录：反应时间：t/h1491625MgO层厚Y/nm0.05a0.20a0.45a0.80a1.25aNiO层厚Y′/nmb2b3b4b5b注：a和b均为与温度有关的常数请填空回答：(1)金属高温氧化腐蚀速率可以用金属氧化膜的生长速率来表示，其理由是_______________________________。(2)金属氧化膜的膜厚Y跟时间t所呈现的关系是(填“直线”、“抛物线”、“对数”或“双曲线”等类型)：MgO氧化膜厚Y属________型，NiO氧化膜厚Y′属________型。(3)Mg与Ni比较，哪一种金属具有良好的耐氧化腐蚀性：______，其理由是：___________________________。[解析]

金属因高温被氧化而遭到破坏是常见的一种腐蚀现象，不同的金属因其所形成的氧化膜致密程度的不同而腐蚀性不同。(1)因化学反应的快慢既可用反应物的消耗速率表示，也可用生成物的生成速率表示，所以金属的腐蚀速率可用其氧化膜的生长速率来表示。(2)分析题中数据不难想像出以下数学模型：时间从1h到4h，Y从0.05a增至0.2a，厚度增至原来的4倍；时间从1h到9h，Y从0.05a增至0.45a，厚度增至原来的9倍，可知MgO厚度Y与时间t关系为Y＝0.05at。时间从1h到4h，Y′从b增至2b；时间从1h到9h，Y′从b增至3b，可知NiO膜厚Y′与时间关系为Y′＝b·t1/2。由数学知识知，前者为直线型，后者为抛物线型，据此可知，Y′随时间t增长比Y随时间增长得慢，故而镍的耐高温腐蚀性能比镁好。[答案](1)反应速率可以用反应物的消耗速率，也可以用产物的生成速率来表示(2)直线抛物线(3)Ni它的腐蚀速率随时间的增长比镁的要慢[点评]注意在解答(3)时，有的同学误认为膜厚度变化大的更耐腐蚀。本题考查学生研究解决实际问题的能力，需要综合运用化学和数学的某些知识。从实际数据出发，建立数学模型，进而从物质内部结构做出解释，这是化学研究问题常用的一种方法。一、研究化学反应原理的方法——概念模型法1．建立简化的有效碰撞模型的设想为了突出化学反应最重要的内涵，忽略其他因素的干扰作用，选择气相反应体系作为研究有效碰撞的基本模型。其优点是：气体分子运动空间远远大于自身体积所占有的空间，环境影响因素相对较小。该概念模型最重要的内容也更加突出，更容易掌握。如在水溶液中的反应，水占较大的量，研究水溶液中的化学反应就不能忽略水分子的作用。2．模型的基本构架——简化后的有效碰撞模型(1)模型的建构。在一个洁净的容器中，使氢气与氧气按体积比2比1的比例混合，气体分子因自由运动不断发生碰撞(互相撞触)——这是发生化学反应的必要条件。(2)假设与事实。研究结果表明，从分子的热运动来看，分子发生碰撞的机会很多。如在常温常压下每个氢分子、氧分子自身或它们之间的碰撞几率为2.355×1010次/秒。假如每次碰撞都能发生化学反应，则化学变化瞬间即可完成，但事实并非如此。(3)立论。并不是每次分子间的碰撞都会引发化学反应，只有其中很少一部分气体分子的碰撞是有效的，即有效碰撞——这是发生化学反应的充分条件。3．活化分子和活化能(1)对该模型的进一步认识。如右图所示，具有足够能量(活化能)的分子——活化分子的碰撞是有效碰撞的必要条件，但不充分。只有当活化分子采取合适的取向进行碰撞时才能反应。(2)活化分子。具有较高能量，能够发生有效碰撞的分子叫活化分子。(3)活化能。活化分子高出反应物分子平均能量的部分，叫做活化能。如下图所示。(4)活化能为0的反应。我们很熟悉的离子反应就是一个例证：H＋和OH－、Ag＋和Cl－在水溶液中混合时，反应几乎都是在瞬间内完成的。应当认为它们不需要活化能来推动它们之间的反应。还有一个人们不太熟悉的例子，那就是距离地面约50km～85km的大气层，平均温度只有－50℃，但是存在于其中的大量自由原子之间的反应，却不需要活化能的推动。

善于思考和分析问题的同学可能已经发现，上面讲的这两类反应不需要活化能的原因，是它们在反应之前已经成为自由的离子或原子，不再需要用来破坏或减弱化学键以便启动化学反应的“活化能”的缘故。有趣的是，这从另一个侧面证实了有效碰撞理论模型的合理性。(5)人们认识的局限性。化学反应的活化能可以用实验方法测定，它对于人们了解化学反应速率和影响化学反应速率的因素很有帮助。遗憾的是，到目前为止，人们还没有完全掌握计算或推测化学反应活化能的理论方法。这个工作可能要留给今后的化学家们去完成了。(6)结论。某一化学反应速率的大小与单位时间内有效碰撞次数有关，而有效碰撞次数的多少与单位体积内反应物中活化分子的多少有关，活化分子的多少又与该反应的活化能的大小有关，活化能的大小是由反应物分子的性质决定的，而反应物分子的性质又与分子的内部结构密切相关。可以说，反应物分子的内部结构是决定化学反应速率的内因。那么，对于一个特定反应，人类如何利用和控制，还需要研究外界条件对它的影响。这将在后面的学习中继续讨论。4．催化剂(1)催化剂的特征。①高效性。如H2O2在常温时无明显分解现象，而加入少许MnO2后，剧烈反应，放出大量气体：2H2O22H2O＋O2↑。②专一性(选择性)。某种催化剂只对特定的某个或某类反应有催化作用。③催化剂在化学反应的始态和终态，化学性质和质量都不变。(2)一些催化剂能加快反应速率的原因。对于某些化学反应，使用催化剂可以加快化学反应速率，原因是催化剂降低了反应所需要的能量，使一些普通分子成为活化分子，从而增大了活化分子的百分数，分子发生有效碰撞的几率增大，反应速率加快。5．模型研究的意义(1)以可燃物燃烧条件的知识为例。利用已学的可燃物燃烧条件的知识，建立如图所示的模型。可燃物的燃烧必须有氧气参与并使温度达到着火点，产生新物质的同时有能量的释放。不同的可燃物，其着火点不同，同样道理，只有反应物分子获得足够的能量(活化能)并具有合适的取向时才能发生有效碰撞，产生新物质并伴随有能量的变化。(2)总结。同其他科学研究一样，当我们研究某个问题的时候，需要提取本质的内容而控制其他干扰因素来进行。概念模型是一种比较抽象的模型，需要有意识地忽略事物的某些特征，抽象出关键的因素，使各因素之间的关系更清晰，更利于对研究对象的把握，以减少可能引起的偏差。概念模型法是科学发展史上重要的方法之一，我们通过绪言的学习应获得一定的认识。二、化学反应的活化能实验证明，只有发生碰撞的分子的能量等于或超过一